第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
全球近百年的增温速率为(0.74±0.18)℃/(100a)，且在未来仍有增加趋势(赵宗慈等，2020)。我国近百年的增温速率与全球保持一致，而近50年的增温速率高出全球近一倍。气候变暖向世界各国和不同地区的灾害应对提出了严峻挑战。
干旱是水分的收支或者供求不平衡造成的水分短缺现象，是复杂、破坏性很强的自然灾害之一(徐向阳，2006)。干旱从古至今都是人类面临的主要自然灾害之一，即使在科技发达的今天，仍然可能造成灾难性后果。干旱的发生频率高，影响范围广，每年造成的直接或间接经济损失巨大(Dai，2013，2011a，2011b；Wilhite，2000)。干旱的发生会对粮食安全、经济发展和社会稳定等方面造成恶劣影响(Mishra et al.，2010；Sen，1998)。干旱不仅发生在干旱半干旱地区，还发生在湿润地区(Chen et al.，2015)。全球变暖伴随人口的快速增长导致水资源危机，干旱频发已经成为全球严重的环境问题之一(Wilhite，2000)，从而成为被广泛关注的科学问题之一(Guo et al.，2018；Wang et al.，2014b)。
干旱是多种成因机制或驱动因素共同引起的，其发生机理和发展过程十分复杂，是*具灾难性的自然灾害之一(Schubert et al.，2016；Chen et al.，2015；Mishra et al.，2010)。干旱，尤其是极端干旱的发生，直接威胁到国家粮食安全和社会经济稳定。近几十年来，全世界不同地区已经发生了多起严重干旱事件，如2010～2011年东非干旱(Dutra et al.，2013)、2011年美国得克萨斯州干旱(Nielsen- Gammon，2012)、2012年美国中部大平原干旱(Hoerling et al.，2014)和2011～2014年美国加州干旱事件(Seager et al.，2015)等，给农业、社会和生态系统造成了巨大损失，也对农作物生产和供水造成了严重威胁。
我国位于亚洲东部、太平洋西岸，幅员辽阔，纬度跨度较广，地势西高东低，呈三级阶梯形分布，陆地距海洋距离差距较大，因此气温、降水组合多种多样，形成了多样性气候。在全球变暖的背景下，我国陆地地表近100年平均增温为0.5～0.8℃(《气候变化国家评估报告》编写委员会，2007)。我国自然灾害频发，其中气象灾害造成的经济损失占比很大(约70%)，干旱灾害造成的经济损失又占气象灾害的50%以上(王劲松等，2012)。气温升高将引起干旱事件增加。20世纪90年代，全国受旱面积达2733万hm2，造成粮食生产的重大损失(损失产量达总产量的4.7%)(李洁等，2005)。旱灾不仅在我国北方干旱区多发，而且在南方的湿润和半湿润区域频发(Yan et al.，2010)。根据丁一汇(2008)的研究，在我国不同区域，干旱几乎每年都会发生。尤其在1961年、1965年、1972年、1978年、1986年、1988年、1992年、1994年、1997年、1999年和2000年，发生了全国性的严重干旱。2006年，重庆发生了严重的高温干旱。四川和湖南在2004年和2007年分别遭遇了2次严重干旱，导致水资源亏缺严重，从而引发了若干问题(如都江堰水库管理问题、湖南湘江水位下降到历史*低等)。2009～2010年的西南干旱百年一遇，旱情波及云南、贵州、广西、四川、重庆等省(市)，对这些地区甚至全国的经济发展和生态环境造成了严重的影响。2011年春季，长江中下游地区发生了1954年以来*为严重的旱情，给当地农业和水产业造成了严重损失。2011～2012年，云南出现有史以来*为严重的伏旱和春旱，干旱持续三年，灾情波及了云南大部分地区，造成了严重损失。2014年，全国26个省(市、区)发生了干旱灾害，造成了巨大的经济损失(占当年国内生产总值的0.14%)。此外，在北部地区持续干旱的情况下，我国南部湿润地区的干旱事件也在增多，如长江中下游地区2011年发生的春夏连旱事件(Lu et al.，2014)，2009～2010年西南地区发生的冬春极端严重干旱事件(Zhao et al.，2013)。这些干旱事件导致大量作物减产，造成巨大经济损失。干旱频发和日益加剧，严重威胁我国粮食和生态环境安全，制约了国民经济的稳步发展。
发生在作物生长季的短期干旱常常伴随着热浪等高温天气，并通过陆面-大气间的正反馈机制进一步加剧(Yuan et al.，2015)。这种短期干旱发生和发展迅速，强度较大，破坏性很强，被称为骤发性干旱(flash drought)，简称骤旱(Senay et al.，2008；Svoboda et al.，2002)。在我国，骤旱更有可能在南方和东北地区发生。1979～2010年，在全球变暖背景下，中国骤旱事件增加了109%(Wang et al.，2016b)。由于骤旱持续时间短、发展快且很难预报，对农业生产和粮食安全造成了严重威胁。因此，提高监测干旱和骤旱的准确度，建立实时干旱预警系统，增强防旱抗旱能力，已经成为我国经济发展中亟待解决的重大科学问题。
综上所述，干旱给农业粮食生产、社会经济发展、生态环境系统，甚至人类生存都会带来严重的威胁(Mishra et al.，2011；Quiring et al.，2003)，由此导致的作物减产，使得全球范围内粮食供应不足，将进一步促使粮食价格上涨，加大社会贫困率和饥饿率(Godfray et al.，2010)。因此，研究干旱严重程度的区域化特征、时空分布特征及发生机制，并进一步揭示干旱时空影响因素，预测未来干旱的发展趋势，对提出干旱应对策略至关重要。
1.2 研究现状
1.2.1 干旱与骤旱
1. 干旱
干旱的概念广为人知，但由于学者们的研究领域、目的和出发点不同，干旱的内涵和外延存在分歧(Mcevoy et al.，2012；凌霄霞，2007)。Palmer(1965)认为干旱一般是指持续数月或数年，在此期间某一地区的实际水分供给持续低于数学期望、满足地区经济社会运行、生物生长用水适宜的需水量。Andreadis等(2005)和Sheffield等(2009)认为当某区域大范围土地面积土壤含水量长期低于一定阈值时干旱开始发生，该阈值一般为20%。陈端生等(1990)将干旱定义为一种气候现象，指某地区长期无降水量(precipitation，P)或降水量很少，造成空气干燥和土壤含水量很低的气候现象。赵聚宝等(1995)对广义干旱进行定义，即在区域自然生态系统的水分循环中，水分收入量小于支出量，水分亏缺的积累使供水量在一定时段内不能满足生物活动需水量的现象。
干旱不等于旱灾，只有对人类造成损失和危害的干旱才称为旱灾。干旱不仅是一种物理过程，而且与作物生长和社会经济有关。根据物理和社会经济原因，干旱可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱(Vicente-Serrano et al.，2012a；Heim J，2002；Wilhite et al.，1985)四种类型，具体介绍如下。
(1) 气象干旱：某时段内蒸发量和降水量的收支不平衡(水分蒸发大于水分收入)而造成的异常水分短缺现象。降水是主要的收入项，且降水量资料*易获得，因此气象干旱通常以降水量的短缺程度作为标准。气象干旱一般可用降水量低于某数值的日数、连续无雨日数、降水距平的异常偏少及各种大气参数的组合等表征。
(2) 农业干旱：指作物生长关键时期因外界环境影响使土壤含水量持续不足，发生严重水分亏缺，造成作物无法正常生长，导致减产或失收的农业气象灾害。农业干旱的影响因素较多，包括土壤状况、作物品种、大气和人类活动等。按成因不同可将农业干旱分为土壤干旱、大气干旱和生理干旱三种类型。其中，土壤干旱是土壤缺水，植物根系吸收不到足够的水分去补偿蒸腾的消耗造成的危害；大气干旱是空气成分干燥，经常伴有一定的风力，虽然土壤并不缺水，但强烈的蒸腾使植株供水不足而形成的危害；生理干旱是不良的土壤环境使作物生理过程发生障碍，植株水分平衡失调造成的损害。这类不良的条件有土壤温度过高或过低、土壤通气不良、土壤溶液浓度过高及土壤中积累某些有毒的化学物质等。
(3) 水文干旱：降水与地表水、地下水收支不平衡造成的异常水分短缺现象。由于地表径流是大气降水与下垫面调蓄的综合产物，它在一定程度上能反映降水与地面条件的综合特性。
(4) 社会经济干旱：指自然与人类社会经济系统中水资源供需不平衡造成的水分异常短缺现象。工业需水、农业需水和生活与服务行业需水难以满足，需水大于供水时，就会发生社会经济干旱。
一般情况下，气象干旱的发生早于其他类型的干旱，其发展和结束较为迅速，而农业干旱发生晚于气象干旱。当气象干旱结束后，水文干旱仍将持续较长的时间(图1-1)。
图1-1 不同类型干旱发生的顺序
2. 骤旱
通常情况下，干旱是一个缓慢发展的过程，可能需要持续几个月甚至几年才能达到*大的强度，但是持续几个星期的短期大气异常，也会使干旱迅速发生(Senay et al.，2008；Svoboda et al.，2002)。Mo等(2015)提出两种类型的骤旱，即热浪型骤旱和降水亏缺型骤旱。热浪型骤旱指高温条件下蒸散增加和土壤含水量降低导致的快速干旱，其中降水有很重要的作用，但是降水异常并不是这类骤旱的驱动因素。降水亏缺型骤旱是指降水量短缺条件下蒸散的减少和温度增加导致的干旱。如果骤旱出现在作物生长的敏感阶段(如出苗、开花授粉和灌浆阶段)，短期的严重水分胁迫会导致减产，甚至降低作物的品质。降水亏缺只是骤旱发生的因素之一，因此用仅基于降水量的干旱指数不能完全监测骤旱(Otkin et al.，2013)。虽然标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)可以计算短的时间尺度，但是其效果有限，因为SPI并没有考虑温度、风速、辐射和骤旱演变的关系。
研究发现，土壤含水量异常能有效监测骤旱(Mozny et al.，2012)。然而，世界大部分地区缺乏土壤含水量空间分布的网格数据，限制了骤旱的广泛监测(Ford et al.，2015)。Otkin等(2016，2015a，2015b，2013)研究表明，蒸发胁迫指数(evaporative stress index，ESI)(Anderson et al.，2013，2011，2007)结合遥感技术可以提供骤旱演变预警。但是，由于云层遮挡等，ESI在不同地区的使用也受到限制。Hobbins等(2016)提出了一个新的干旱指数，即蒸发需求干旱指数(evaporative demand drought index，EDDI)，它能在比月更短(如一到几周)的不同时间尺度上进行分析。EDDI是一个基于物理的多尺度干旱指数，它利用蒸发需求和实际蒸散发(evapotranspiration，ET)的相互关系改进蒸发动力学在干旱监测中的应用并提供干旱预警。EDDI不仅可以作为骤旱监测指标评估日和周时间尺度的干旱，也可以用来评价月和年时间尺度的持续干旱。EDDI还可以捕捉水分胁迫的前兆信号，是干旱预警中一个强有力的工具。
1.2.2 干旱指数
干旱指数是对干旱程度的量度，它是干旱评估的必要变量，也是定义干旱参数的重要指标(Mishra et al.，2010)。干旱指数的合理选择是干旱监测的基础和前提(陈学凯，2016)。为了更好地量化干旱严重程度、科学准确地评估干旱的时空变异性，学者们提出了不同的干旱指数，其中常用的有帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)(Palmer，1965)、降水距平指数(rainfall anomaly ind
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